质子交换膜燃料电池催化剂钨基载体的研究

【摘要】：质子交换膜燃料电池因其高效、安全和环保等优点,受到各方关注。经过许多研究人员的努力,质子交换膜燃料电池的研究与开发取得很大进步,但目前仍未能大规模的应用,主要原因之一是催化剂的活性和使用寿命不理想。针对这两个问题,本文研究了钨的碳化物和氧化物作为载体对催化剂活性和寿命的影响。 氧化钨和碳化钨在燃料电池环境里比较稳定,与金属催化剂有协同效应,是碳载体的理想替代材料。目前,影响这两种物质应用的原因主要是材料的比表面积过小,不利于金属催化剂的分散。本论文以SBA-15分子筛为模板、蔗糖为碳源、偏钨酸铵为前躯体,通过程序升温法制备了高比表面积的介孔载体。 本论文通过实验比较CO与H_2在高温下还原制备碳化钨的效果,发现高浓度CO气氛更有利于碳化钨的形成。以SBA-15分子筛为模板制备的碳化钨是纳米链状介孔结构,WxC/C(C/W=10)的比表面积为558m~2/g。用多元醇连续微波法制备催化剂,在硫酸溶液中对甲酸氧化、氧还原催化和抗CO毒化能力均明显高于Pt/C,并且提高碳化钨的含量后,以上性能也得到提高。通过多元醇间歇微波法制备的催化剂催化甲酸氧化的性能好于连续微波法,通过对比,发现间歇90s的方式制备的催化剂催化性能最好。 本论文用CTAB做添加剂合成了WO_3的一种缺氧型晶体W18O49,载Pt后对氢的吸脱附性能好,但由于Pt颗粒较小,对氧还原的催化性能不如Pt/C。本论文以SBA-15分子筛为模板制备的WO_2/C载体比表面积大,达到1191m~2/g,甲酸在Pt-WO_2/C催化剂上的氧化反应类型以脱氢反应为主,降低了催化剂中毒,催化性能好。 通过实验发现,本论文制备的催化剂在硫酸中的电化学活性较低,稳定性不够理想,通过分析发现这是受载体中石墨化程度低的无定型碳影响。 本论文制备的钨基载体催化剂活性高,抗CO毒化能力强,在减小或去除无定型碳的影响后,将会成为质子交换膜燃料电池催化剂理想的催化剂载体。